ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

发布日期:[08-11-30 21:32:41] 浏览人次:[]

复合材料,是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点,而且通过各相组分性能的互补和关联,获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点,应用于航空领域中,可以获得显著的减重效益,并改善结构性能。

  目前,复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一,逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中,西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中,复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮,实体结构如结构连接件,夹层结构如某些薄翼型和楔型结构,杆梁结构如梁、肋、壁板。此外,采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。

  一.复合材料设计分析与有限元方法
  复合材料层合结构的设计,就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。

  采用传统的等代设计(等刚度、等强度)、准网络设计等设计方法,复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中,已经广泛采用有限元数值仿真分析,其基本原理在本质上与各向同性材料相同,只是离散方法和本构矩阵不同。复合材 料有限元法中的离散化是双重的,包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件,均把增强材料和基体复合在一起,讨论结构的宏观力学行为,因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为,以每一铺层为分析单元。

  二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用

  复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质,因此复合材料结构的精确仿真,已成为现代航空结构的迫切需求。

  许多CAE程序都可以进行复合材料的分析,但是大多程序并没有提供完备的功能,使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力,有些不提供层间剪切应力的求解能力,有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件,广泛应用于航空航天领域,为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。

  1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型,ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元,以模拟各种复合材料,铺层数可达250层以上,并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。

  2.复合材料的层合结构定义:

  ■铺层结构:ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度,然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构;也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。
  ■板壳和梁单元截面形状:ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式;还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

  3.特殊层合结构的模拟:

  ·变厚度板壳铺层切断:将切断的某铺层厚度定义为零,即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。
  ·不同铺层板壳的节点协调:ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置,使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。
  ·蜂窝/泡沫夹层结构:ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性,夹层面板和芯子可以是不同材料。
  ·板-梁-实体组合结构:ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系,各类单元的节点不需要重合并协调,便于飞机等复杂结构模型的处理。

  4.复合材料有限元模型的检查:复合材料

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